磁化强度成像及其在航磁资料解释中的应用硕士毕业论文.doc
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1、桂林理工大学硕士研究生学位论文分类号: 密级: 编号:212011479 桂林理工大学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文磁化强度成像及其在航磁资料解释中的应用专 业: 地质工程研究方向: 应用地球物理研 究 生: 周海滨指导教师: 王有学 教授论文起止日期:2012年4月至2013年4月Magnetic imaging and its application in Aero-magnetic Data interpretationMajor:Geological EngineeringDirection of Study:Application of geophysical Graduate
2、 Student: Haibin ZhouSupervisor: Prof. Youxue WangCollege of Earth ScienceGuilin University of TechnologyApril, 2012 to April, 2013 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书独 创 性 声 明本人声明:所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示
3、谢意。 学位论文作者(签字): 签字日期: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解(学校)有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权(学校)可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)本论文是否保密: 是 否 如需保密,保密期限为:学位论文作者签名: 导师签字:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日
4、摘 要地下各种具有不同磁性差异的岩(矿)石会在其周围产生不同的磁性异常场,磁力勘探是通过分析解释观测所得到的磁异常数据,用以勘察有用矿产及寻找地下地质构造的一种较为常用地球物理方法,具有广泛的应用。磁测数据的采集简单易行、数据采集效率高,且不受地域的影响。磁异常反映了地下磁性特征的变化,包括磁性异常体的分布和磁化强度。通过有效的反演方法,结合已知的地质资料,就可以对磁性异常体的大小、形状、磁化强度等信息进行估算。本文在不考虑磁性异常体的剩磁及退磁影响的情况下,对二度磁性异常体进行了磁化强度成像研究。在实际工作中,由于二度体和三度体在剖面上可能有相同的异常形态,而本文所介绍的方法中,磁异常数据为
5、一维(剖面)数据,所有地质体都当作二度体的来解释,部分解释结果与实际情况不一致是在所难免的,若要进行更为细致和准确的解释,那么建议采用平面异常数据,而对于位场反演问题来说,三维反演与二维反演相比,并没有本质上的差异,实现三维反演仅需要做细节上的调整便可,反演方法并没有太大的改变。在研究了二度磁异常体正演公式的基础上,本文给出了二维磁化强度成像的基本公式。在构造目标函数时,基于Occams反演方法,在目标函数中加入了光滑度项及最小模型项来对模型进行约束,同时为了克服反演结果富集在地表附近的现象,采用深度加权函数对空间单元赋予不同的权重,得到比较符合实际的结果。本文还讨论了如何选择最优的正则化参数
6、,通过选取合理的正则化参数,使反演的结果较为合理。在求解方程组时,采用了计算速度快、节省内存且收敛速度快的共轭梯度算法。通过对多组理论模型的正演计算及其磁化强度成像结果的对比分析,讨论了反演算法的分辨率和可靠性,并对在反演中所选择的参数进行了总结和归纳。本文的反演算法不依赖于初始模型设置,成像效果较好。将该反演方法应用于航磁剖面,反演的结果为构造的解释提供了一定依据。关键词:二维光滑磁化强度成像;Occams反演;深度加权AbstractA variety of underground rock (ore) with different magnetic differences will pr
7、oduce different magnetic anomaly field. Magnetic exploration is a commonly used geophysical method which through the analysis of magnetic anomaly data to investigate valuable mineral and find underground geological formations with a wide range of applications. Collecting magnetic data is simple, hig
8、h efficient and without geographical impact. The magnetic anomaly reflects the changes of the underground magnetic characteristics, including the distribution and magnetization of the magnetic anomalies. Through effective inversion method which combined with known geological data, we can estimate th
9、e information about the size, shape and the intensity of magnetization of magnetic anomaly.Inthis paper, without considering about the remanent magnetization and demagnetization. In actual work, 2D-bodys magnetic anomaly and 3D-bodys magnetic anomaly usually have the same abnormal morphology, but th
10、e method described in this article, magnetic anomaly data is one-dimensional (profile) data,all the Geological body will explain as the 2D-bodys magnetic anomaly, therefore, partial interpretation results will different with the actual condition can hardly be avoided.Based upon the research of 2D-bo
11、dys magnetic anomaly forward formulas, this paper presents the magnetization imaging inversion formulas of 2D-bodys magnetic anomaly. When constructing the objective function, based on the Occams inversion method, theoretical aspects in 2D inversion of magnetic data are mentioned, such as the additi
12、on of smoothness matrix will be used to constraint the model. At the same time, I formulate the inversion using Tikhonov regularization. Further more, the experiments of some theoretical model indicated that the inversion method seemed to be reliable and practical. In this paper, I apply the conjuga
13、te gradient (CG) method to solve multi-dimensional linear equation. By comparing the results of the forward calculation of the theoretical model and its magnetization inversion, it will discuss the resolution and reliability of the inversion algorithm, and summarize how to choose the parameters in t
14、he inversion. The inversion algorithm does not depend on the initial model set. The method is applied to the inversion of aeromagnetic profile; the inversion results will provide the foundations of structural interpretation.Keywords:2D smooth magnetization imaging; Occam inversion; depth weighted目 录
15、摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 问题的提出及研究背景11.1.1 研究背景11.1.2 问题的提出21.2 研究现状21.3 本文研究内容3第2章 磁场理论基础52.1 地磁场52.1.1 磁位52.1.2 磁位的微分方程72.1.3 二维直立板状体正演公式82.2 岩石的岩石磁性特征及场源磁模型82.3 磁异常11第3章 二维介质中的磁化强度成像123.1 引言123.2 2D磁化强度成像的基本原理及正演计算143.2.1 模型构建及正演计算143.2.2 模型网格剖分问题163.3 磁化强度成像的反演技术173.3.1 共轭梯度法173.3.2 反演模型设计1
16、83.3.3 无约束的剖面反演计算193.3.4 深度加权函数203.3.5 物性绝对约束233.3.5 光滑磁化强度成像反演方法26第4章 数值模拟314.1 模型试算一324.2 模型试算二334.3 模型试算三344.5 模型试算四36第5章 二维磁化强度成像在航磁数据解释中的应用415.1 位置概况425.2 航磁资料与磁化强度成像435.3 航磁异常解释44第6章 结论与建议476.1 结论476.2 几点建议47参考文献48个人简历51致谢52IV第1章 绪论1.1 问题的提出及研究背景1.1.1 研究背景磁力勘探通过研究地下磁异常体在地表产生的磁异常数据来分析研究磁异常体的空间位
17、置、大小、形状及产状等情况,从而达到找矿和解决地质问题的一种地球物理勘探方法。其具有轻便、快速、效率高及效果明显等特点,因此被广泛的应用于大面积的扫面工作,是一种必不可少的地球物理勘探手段1,2。随着地球科学技术的发展,人类对地球浅层沉积建造和性质的研究已经不能满足生产、经济和社会发展,特别是可持续发展的要求。并且随着人类对地球的研究不断地深入,浅层地壳已经无法满足现今的研究需求,这迫使地球科学研究向纵深发展成为一个趋势,因为岩石圈是人类居住与获取各种资源、能源、改造和利用场所。在二十一世纪,地质构造作为岩石圈的重要组成部分与地球物理学息息相关。自二十世纪八十年代初以来,我国对大陆岩石圈的研究
18、开始引起了地学界的广泛关注,国家也成立了相关部门3,实施了一系列的地学断面的研究工作,采用了多种地球物理方法,开展了对中国大陆岩石圈深部结构的研究,并产生了广泛的国际影响。在众多的地球物理方法中,唯有航磁调查覆盖了整个中国大陆及其海域,从而成为我国地学研究的一个亮点,吸引了众多国内外科学家的关注,为我国的地学研究提供了不可多得的地球物理资料。航磁异常与中国大陆的大地构造格局之间的存在着一定的内在联系,因此通过探讨航磁异常的反演结果,用以研究地壳深部构造。磁测数据资料中包含着地下丰富的信息,但目前的数据解析并没有充分利用好这些信息,特别是在对磁测数据的反演上。反演是磁测资料定量解释中的重要环节之
19、一, 和其他地球物理方法一样,磁测资料解释的目的在于通过地面或航空等实测数据利用某种手段推断出地下磁化率(磁化强度)分布规律,从而达到寻找目标地质体的目的4-9。在这样的背景下,本文对磁测异常进行了磁化强度成像研究,通过采用有效的约束方法减少反演结果的多解性。当不考虑剩磁时,磁化强度与磁化率是正比例关系,比例系数仅与地磁场强度有关,因此,本文对磁化强度进行反演而非磁化率。1.1.2 问题的提出面对日益复杂的地质问题及高质量的磁测数据,传统的定量、半定量的反演并不能满足勘探需求。如何能更加有效的对实测磁数据进行定量反演解释,这是本文所要解决的难题。当前人们对磁化强度成像技术还有抱有一定的怀疑态度
20、,其原因是位场反演固有的多解性,影响了反演的结果。磁化强度成像是一种通过将地表观测到的磁异常数据直接反演地下场源的方法,其工作方式为:将地下场源一定范围的区域剖分成为一系列规则组合单元体通常为小立方体或长方体,通过反演算法获得这些单元的磁化强度大小,由这些网格的强化强度变化推测场源的分布范围、形态特征等。所以,磁化强度成像结果能比较直观地重构出磁性异常体及构造的分布情况。在反演过程中,虽然观测值与理论模型产生的理论值很容易拟合,得到一个数据拟合空间的解模型,但是由于磁场观测数据的有限性及不准确性等因素的存在,导致反演结果具有非唯一性,以至于难以得到一个与实际情况相符合的解。解的非唯一性是对于所
21、有反问题来说都是普遍存在的,这种非唯一性与反演方法、数据处理的好坏无关,这是地球物理反演所要解决的难题。磁化强度成像属于不适定的问题,对于不适定问题应当采用正则化方法解决,或者说在对解的估计时应当在使结果获得较高的分辨率与拟合方差最小之间取折衷。这就需要在反演的过程中利用正则化因子添加一些约束条件及先验信息,对模型进行限制。如何得到一个相对可靠的解,本文针对这个问题作了详细的研究。1.2 研究现状 对于位场层析成像方法的研究开始于二十世纪七十年代10-13,国内在八十年代也开始了相关研究14-16,九十年代后,对位场层析成像的研究已经取得了较大的进展,不再仅限于理论上的研究,在处理实际数据中也
22、得到了应用17-21,23,并取得不错的效果。对于磁化率(磁化强度)成像问题的研究,Yaoguo Li & Oldenberg20,21,给出了基于深度加权的3D磁化率和密度成像方法,其在核函数中采用的深度加权的方法,对于提高纵向分辨率及恢复异常体的真实位置都具有很好的理论及实际物理意义,同时他们还提出了最光滑反演方法,加入了模型梯度模量最小的约束条件,反演结果在边缘有一定的过渡,又能够很好地反映理论模型的位置,比较符合实际情况;为了提高纵向上的分辨率,Yaoguo Li & Oldenberg22,将井中磁测数据和地面磁测数据进行了联合反演,取得了一定的效果;由于3D成像需要求解规模很大的线
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